Термодинамика - наука, которая изучает тепловые явления, происходящие в телах, не связывая их с молекулярным строением вещества.

В термодинамике считается, что все тепловые процессы в телах характеризуются только лишь макроскопическими параметрами - давлением, объёмом и температурой. А так как их невозможно применить к отдельно взятым молекулам или атомам, то, в отличие от молекулярно-кинетической теории, в термодинамике молекулярное строение вещества в тепловых процессах не учитывается.

Все понятия термодинамики сформулированы как обобщение фактов, наблюдаемых в ходе экспериментов. Из-за этого её называют феноменологической (описательной) теорией тепла.

Термодинамические системы

Термодинамика описывает тепловые процессы, происходящие в макроскопических системах. Такие системы состоят из огромного количества частиц - молекул и атомов, и называются термодинамическими.

Термодинамической системой можно считать любой объект, который можно увидеть невооружённым глазом или с помощью микроскопов, телескопов и других оптических приборов. Главное, чтобы размеры системы в пространстве и время её существования позволяли провести измерения её параметров - температуры, давления, массы, химического состава элементов и др., с помощью приборов, не реагирующих на воздействие отдельных молекул (манометров, термометров и др.).

Для химиков термодинамическкой системой является смесь химических веществ, взаимодействующих между собой в процессе химической реакции. Астрофизики назовут такой системой небесное тело. Смесь горючего с воздухом в автомобильном двигателе, земной шар, наше тело, пишущая ручка, тетрадь, станок и др. - это также термодинамические системы.

Каждая термодинамическая система отделена от окружающей среды границами. Они могут быть реальными - стеклянные стенки пробирки с химическим веществом, корпус цилиндра в двигателе и т.п. А могут быть и условными, когда, например, изучают образование облака в атмосфере.

Если такая система не обменивается с внешней средой ни энергией, ни веществом, то её называют изолированной или замкнутой .

Если же система обменивается с внешней средой энергией, но не обменивается веществом, то она называется закрытой .

Открытая система обменивается с внешней средой и энергией, и веществом.

Термодинамическое равновесие

Это понятие также введено в термодинамику, как обобщение результатов экспериментов.

Термодинамическим равновесием называют такое состояние системы, при котором все её макроскопические величины - температура, давление, объём и энтропия - не изменяются во времени, если система является изолированной. В такое состояние может самопроизвольно перейти любая замкнутая термодинамическая система, если остаются постоянными все внешние параметры.

Самый простой пример системы в состоянии термодинамического равновесия - термос с горячим чаем. Температура в нём одинакова в любой точке жидкости. Хотя термос можно назвать изолированной системой лишь приблизительно.

Любая замкнутая термодинамическая система самопроизвольно стремится перейти в термодинамическое равновесие, если не меняются внешние параметры.

Термодинамический процесс

Если меняется хотя бы один из макроскопических параметров, то говорят, что в системе происходит термодинамический процесс . Такой процесс может возникнуть, если изменяются внешние параметры или система начинает получать или передавать энергию. В результате она переходит в другое состояние.

Вспомним пример с чаем в термосе. Если мы опустим в чай кусочек льда и закроем термос, то сразу же появится разница в температурах в разных частях жидкости. Жидкость в термосе будет стремиться к выравниванию температур. Из областей с более высокой температурой тепло будет передаваться туда, где температура ниже. То есть, будет происходить термодинамический процесс. В конце концов, температура чая в термосе снова станет одинаковой. Но она уже будет отличаться от первоначальной температуры. Состояние системы изменилось, так как изменилась её температура.

Термодинамический процесс происходит, когда ночью остывает песок, нагретый на пляже в жаркий день. К утру его температура понижается. Но как только взойдёт солнце, процесс нагревания начнётся снова.

Внутренняя энергия

Одно из главных понятий термодинамики - внутренняя энергия .

Все макроскопические тела обладают внутренней энергией, которая является суммой кинетических и потенциальных энергий всех частиц (атомов и молекул), из которых состоит тело. Эти частицы взаимодействуют только между собой и не взаимодействуют с частицами окружающей среды. Внутренняя энергия зависит от кинетической и потенциальной энергии частиц и не зависит от положения самого тела.

U = E k +E p

Внутренняя энергия изменяется с изменением температуры. Молекулярно-кинетическая теория объясняет это изменением скорости движения частиц вещества. Если температура тела растёт, то растёт и скорость движения частиц, расстояние между ними становится больше. Следовательно, увеличивается их кинетическая и потенциальная энергия. При понижении температуры происходит обратный процесс.

Для термодинамики важнее не величина внутренней энергии, а её изменение. А изменить внутреннюю энергию можно с помощью процесса теплопередачи или совершая механическую работу.

Изменение внутренней энергии механической работой

Бенджамин Румфорд

Внутреннюю энергию тела можно изменить, совершив над ней механическую работу. Если работа совершается над телом, то механическая энергия превращается во внутреннюю энергию. А если работу совершает тело, то его внутренняя энергия превращается в механическую.

Почти до конца XIX века считалось, что существует невесомое вещество - теплород, которое передаёт тепло от тела к телу. Чем больше теплорода втекает в тело, тем теплее оно будет, и наоборот.

Однако в 1798 г. англо-американский учёный граф Бенджамин Румфорд стал сомневаться в теории теплорода. Причиной тому были нагревания стволов пушек при сверлении. Он предположил, что причиной нагревания является механическая работа, которая совершается во время трения сверла о ствол.

И Румфорд провёл эксперимент. Чтобы увеличить силу трение, взяли тупое сверло, а сам ствол поместили в бочку с водой. К концу третьего часа сверления вода в бочке закипела. Это означало, что ствол получил тепло при совершении механической работы над ним.

Теплопередача

Теплопередачей называют физический процесс передачи тепловой энергии (теплоты) от одного тела к другому либо при непосредственном контакте, либо через разделяющую перегородку. Как правило, теплота передаётся от более тёплого тела к более холодному. Это процесс заканчивается, когда система приходит в состояние термодинамического равновесия.

Энергия, которую получает или отдаёт тело при теплопередаче, называется количеством теплоты .

По способу передачи теплоты теплообмен можно разделить на 3 вида: теплопроводность, конвенция, тепловое излучение.

Теплопроводность

Если между телами или частями тел существует температурная разница, то между ними будет происходить процесс теплопередачи. Теплопроводностью называют процесс переноса внутренней энергии от более нагретого тела (или его части) к менее нагретому телу (или его части).

К примеру, нагрев на огне один конец стального прута, через некоторое время мы почувствуем, что и другой его конец также становится тёплым.

Стеклянную палочку, один конец которой раскалён, мы легко держим за другой конец, не обжигаясь. Но если мы попробуем проделать такой же эксперимент с железным прутом, у нас ничего не получится.

Разные вещества по-разному проводят тепло. Каждое из них имеет свой коэффициент теплопроводности , или удельной проводимости , численно равный количеству теплоты, которая проходит через образец толщиной 1 м, площадью 1 м 2 за 1 секунду. За единицу температуры принимают 1 К.

Лучше всего проводят тепло металлы. Это их свойство мы используем в быту, готовя пищу в металлических кастрюлях или на сковородках. А вот их ручки не должны нагреваться. Поэтому их делают из материалов с плохой теплопроводностью.

Теплопроводность жидкостей меньше. А газы обладают слабой теплопроводностью.

Мех животных также плохо проводит тепло. Благодаря этому они не перегреваются в жаркую погоду и не замерзают в холодную.

Конвенция

При конвенции теплота передаётся струями и потоками газа или жидкости. В твёрдых телах конвенции нет.

Как возникает конвенция в жидкости? Когда мы ставим на огонь чайник с водой, нижний слой жидкости нагревается, его плотность уменьшается, он движется вверх. Его место занимает более холодный слой воды. Через какое-то время он тоже нагреется и тоже поменяется местами с более холодным слоем. И т.д.

Подобный процесс происходит и в газах. Не случайно батареи отопления размещают в нижней части комнаты. Ведь нагретый воздух всегда поднимается в верхнюю часть комнаты. А нижний, холодный, наоборот, опускается. Затем он нагревается также и вновь поднимается, а верхний слой за это время остывает и опускается.

Конвенция бывает естественная и принудительная.

Естественная конвенция постоянно происходит в атмосфере. В результате этого происходят постоянные перемещения тёплых воздушных масс вверх, а холодных - вниз. В результате возникает ветер, облака и другие природные явления.

Когда естественной конвенции недостаточно, применяю принудительную конвенцию. Например, потоки тёплого воздуха перемещают в комнате с помощью лопастей вентилятора.

Тепловое излучение

Солнце нагревает Землю. При этом не происходит ни теплопередачи, ни конвенции. Так почему же тела получают тепло?

Дело в том, что Солнце является источником теплового излучения.

Тепловое излучение - это электромагнитное излучение, возникающее за счёт внутренней энергии тела. Все окружающие нас тела излучают тепловую энергию. Это может быть видимое световое излучение настольной лампы, или источники невидимых ультрафиолетовых, инфракрасных или гамма-лучей.

Но тела не только излучают тепло. Они его также и поглощают. Одни в большей степени, другие в меньшей. Причём тёмные тела и нагреваются, и охлаждаются быстрее, чем светлые. В жаркую погоду мы стараемся надеть светлую одежду, потому что она поглощает меньше тепла, чем одежда тёмных тонов. Автомобиль тёмного цвета нагревается на солнце гораздо быстрее, чем стоящий с ним рядом автомобиль, имеющий светлую окраску.

Это свойство веществ по-разному поглощать и излучать тепло используется при создании систем ночного видения, систем самонаведения ракет на цель и др.

Долгое время среди физиков и представителей других наук был способ описания того, что они наблюдают в процессе своих экспериментов. Отсутствие единого мнения и наличие большого количества терминов, взятых «с потолка», приводило к путанице и недопониманиям среди коллег. Со временем каждый раздел физики приобрел свои устоявшиеся определения и единицы измерения. Так появились термодинамические параметры, объясняющие большинство макроскопических изменений в системе.

Определение

Параметры состояния, или термодинамические параметры, - это ряд физических величин, которые все вместе и каждая в отдельности могут дать характеристику наблюдаемой системе. К ним относятся такие понятия, как:

• температура и давление;
• концентрация, магнитная индукция;
• энтропия;
• энтальпия;
• энергии Гиббса и Гельмгольца и многие другие.

Выделяют интенсивные и экстенсивные параметры. Экстенсивными называются те, которые находятся в прямой зависимости от массы термодинамической системы, а интенсивными - которые определяются другими критериями. Не все параметры одинаково независимы, поэтому для того, чтобы вычислить равновесное состояние системы, необходимо определять сразу несколько параметров.

Кроме того, среди физиков существуют некоторые терминологические разногласия. Одна и та же физическая характеристика у разных авторов может называться то процессом, то координатой, то величиной, то параметром, а то и просто свойством. Все зависит от того, в каком контенте ученый ее использует. Но в некоторых случаях существуют стандартизированные рекомендации, которых должны придерживаться составители документов, учебников или приказов.

Классификация

Существует несколько классификаций термодинамических параметров. Так, исходя из первого пункта, уже известно, что все величины можно разделить на:

• экстенсивные (аддитивные) - такие вещества подчиняются закону сложения, то есть их значение зависит от количества ингредиентов;
• интенсивные - они не зависят от того, сколько вещества было взято для реакции, так как при взаимодействии выравниваются.

Исходя из того, в каких условиях находятся вещества, составляющие систему, величины можно разделить на те, которые описывают фазовые реакции и химические реакции. Кроме того, нужно учитывать вступающих в реакцию. Они могут быть:

• термомеханические;
• теплофизические;
• термохимические.

Помимо этого, любая термодинамическая система выполняет определенную функцию, поэтому параметры могут характеризовать работу или теплоту, получаемую в результате реакции, а также позволяют рассчитать энергию, необходимую для переноса массы частиц.

Переменные состояния

Состояние любой системы, в том числе термодинамической, можно определить по сочетанию ее свойств или характеристик. Все переменные, которые полностью определяются только в конкретный момент времени и не зависят от того, как именно система пришла в это состояние, называются термодинамическими параметрами (переменными) состояния или функциями состояния.

Система считается стационарной, если переменные функции с течением времени не изменяются. Один из вариантов - это термодинамическое равновесие. Любое, даже самое малое изменение в системе, - уже процесс, а в нем может быть от одного до нескольких переменных термодинамических параметров состояния. Последовательность, в которой состояния системы непрерывно переходят друг в друга, называют «путь процесса».

К сожалению, путаница с терминами все еще имеет место, так как одна и та же переменная может быть как независимой, так и результатом сложения нескольких функций системы. Поэтому такие термины, как «функция состояния», «параметр состояния», «переменная состояния» могут рассматриваться в виде синонимов.

Температура

Один из независимых параметров состояния термодинамической системы - это температура. Она представляет собой величину, которая характеризует количество кинетической энергии, приходящееся на единицу частиц в термодинамической системе, находящейся в состоянии равновесия.

Если подходить к определению понятия с точки зрения термодинамики, то температура является величиной обратно пропорциональной изменению энтропии после добавления в систему теплоты (энергии). Когда система равновесна, то значение температуры одинаково для всех ее «участников». В случае если имеется разница температур, то энергия отдается более нагретым телом и поглощается более холодным.

Существуют термодинамические системы, в которых при добавлении энергии беспорядочность (энтропия) не возрастает, а наоборот - уменьшается. Кроме того, если подобная система будет взаимодействовать с телом, температура которого больше, чем ее собственная, то она отдаст свою кинетическую энергию этом телу, а не наоборот (исходя из законов термодинамики).

Давление

Давлением называется величина, характеризующая силу, воздействующую на тело, перпендикулярно его поверхности. Для того чтобы вычислить этот параметр, необходимо все количество силы разделить на площадь объекта. Единицами измерения этой силы будут паскали.

В случае с термодинамическими параметрами газ занимает весь доступный ему объем, и, кроме того, молекулы, его составляющие, непрерывно хаотично двигаются и сталкиваются друг с другом и с сосудом, в котором находятся. Именно эти удары и обуславливают давление вещества на стенки сосуда либо на тело, которое помещено в газ. Сила распространяется во всех направлениях одинаково именно из-за непредсказуемого движения молекул. Чтобы увеличить давление, необходимо повысить температуру системы, и наоборот.

Внутренняя энергия

К основным термодинамическим параметрам, зависящим от массы системы, относят и внутреннюю энергию. Она складывается из кинетической энергии, обусловленной движением молекул вещества, а также из потенциальной энергии, появляющейся, когда молекулы взаимодействуют между собой.

Этот параметр является однозначным. То есть значение внутренней энергии постоянно всякий раз, как система оказывается в нужном состоянии, независимо от того, каким путем оно (состояние) было достигнуто.

Невозможно изменить внутреннюю энергию. Она складывается из теплоты, выделяемой системой и работы, которая ею производится. Для некоторых процессов учитываются и другие параметры, такие как температура, энтропия, давление, потенциал и количество молекул.

Энтропия

Второе начало термодинамики гласит, что энтропия не уменьшается. Другая формулировка постулирует, что энергия никогда не переходит от тела с более низкой температурой к более нагретому. Это, в свою очередь, отрицает возможность создания вечного двигателя, так как нельзя всю энергию, имеющуюся у тела, перевести в работу.

Само понятие «энтропия» было введено в обиход еще в середине 19 века. Тогда оно воспринималось как изменение количества тепла к температуре системы. Но такое определение подходит только к процессам, которые постоянно находятся в состоянии равновесия. Из этого можно вывести следующее заключение: если температура тел, составляющих систему, стремится к нулю, то и энтропия будет равна нулю.

Энтропия как термодинамический параметр состояния газа используется в качестве указания на меру беспорядочности, хаотичности движения частиц. Ее используют, чтобы определить распределение молекул в определенной области и сосуде, либо чтобы посчитать электромагнитную силу взаимодействия между ионами вещества.

Энтальпия

Энтальпия представляет собой энергию, которая может быть преобразована в теплоту (или работу) при постоянном давлении. Это потенциал системы, которая находится в состоянии равновесия, в случае если исследователю известен уровень энтропии, число молекул и давление.

В случае, если указывается термодинамический параметр идеального газа, вместо энтальпии используют формулировку «энергия расширенной системы». Для того чтобы легче было объяснить себе эту величину, можно представить сосуд, наполненный газом, который равномерно сжимается при помощи поршня (например, двигатель внутреннего сгорания). В этом случае энтальпия будет равна не только внутренней энергии вещества, но и работе, которую необходимо произвести, чтобы привести систему в необходимое состояние. Изменение данного параметра зависит только от начального и конечного состояния системы, а путь, которым оно будет получено, роли не играет.

Энергия Гиббса

Термодинамические параметры и процессы, в большинстве своем, связаны с энергетическим потенциалом веществ, составляющих систему. Так, энергия Гиббса является эквивалентом полной химической энергии системы. Она показывает, какие изменения будут происходить в процессе химических реакций и будут ли вещества взаимодействовать вообще.

Изменение количества энергии и температуры системы в процессе протекания реакции затрагивает такие понятия, как энтальпия и энтропия. Разница между этими двумя параметрами как раз и будет называться энергией Гиббса или изобарно-изотермическим потенциалом.

Минимальное значение данной энергии наблюдается в том случае, если система находится в равновесии, а ее давление, температура и количества вещества остаются неизменными.

Энергия Гельмгольца

Энергия Гельмгольца (по другим источникам - просто свободная энергия) представляет собой потенциальное количество энергии, которое будет потеряно системой при взаимодействии с телами, не входящими в нее.

Понятие свободной энергии Гельмгольца часто используется для того, чтобы определить, какую максимальную работу способна выполнить система, то есть сколько высвободится теплоты при переходе веществ из одного состояния в другое.

Если система находится в состоянии термодинамического равновесия (то есть она не совершает никакой работы), то уровень свободной энергии находится на минимуме. А значит, изменение других параметров, таких как температура, давление, количество частиц, также не происходит.

Одна и та же система может находиться в различных состояниях. Каждое состояние системы характеризуется определенным набором значений термодинамических параметров. К термодинамическим параметрам относятся температура, давление, плотность, концентрация и т.п. Изменение хотя бы только одного термодинамического параметра приводит к изменению состояния системы в целом. При постоянстве термодинамических параметров во всех точках системы (объема) термодинамическое состояние системы называют равновесным .

Различают гомогенные и гетерогенные системы. Гомогенные системы состоят из одной фазы, гетерогенные – из двух или нескольких фаз. Фаза – это часть системы, однородная во всех точках по составу и свойствам и отделенная от других частей системы поверхностью раздела. Примером гомогенной системы может служить водный раствор. Но если раствор насыщен и на дне сосуда есть кристаллы солей, то рассматриваемая система – гетерогенна (есть граница раздела фаз). Другим примером гомогенной системы может служить простая вода, но вода с плавающим в ней льдом – система гетерогенная.

Для количественного описания поведения термодинамической системы вводят параметры состояния - величины, которые однозначно определяют состояние системы в заданный момент времени. Параметры состояния могут быть найдены только на основании опыта. Термодинамический подход требует, чтобы они могли быть измеримы опытным путём с помощью макроскопических приборов. Число параметров велико, однако не все из них имеют существенное значение для термодинамики. В простейшем случае любая термодинамическая система должна обладать четырьмя макроскопическими параметрами: массой M , объёмом V , давлением p и температурой T . Первые три из них определяются достаточно просто и хорошо известны из курса физики.

В XVII – XIX веках были сформулированы опытные законы идеальных газов. Кратко напомним их. Изопроцессы идеального газа – процессы, при которых один из параметров остаётся неизменным. 1. Изохорический процесс . Закон Шарля. V = const. Изохорическим процессом называется процесс, протекающий при постоянном объёме V . Поведение газа при этом изохорическом процессе подчиняется закону Шарля : При постоянном объёме и неизменных значениях массы газа и его молярной массы, отношение давления газа к его абсолютной температуре остаётся постоянным: P/Т = const. График изохорического процесса на РV -диаграмме называется изохорой . Полезно знать график изохорического процесса на РТ - и VT -диаграммах (рис. 1.6). Уравнение изохоры: где Р 0 – давление при 0 °С, α - температурный коэффициент давления газа равный 1/273 град -1 . График такой зависимости на Рt -диаграмме имеет вид, показанный на рисунке 1.7. Рис. 1.7 2. Изобарический процесс. Закон Гей-Люссака. Р = const. Изобарическим процессом называется процесс, протекающий при постоянном давлении Р . Поведение газа при изобарическом процессе подчиняется закону Гей-Люссака : При постоянном давлении и неизменных значениях массы и газа и его молярной массы, отношение объёма газа к его абсолютной температуре остаётся постоянным: V/T = const. График изобарического процесса на VT -диаграмме называется изобарой . Полезно знать графики изобарического процесса на РV - и РT -диаграммах (рис. 1.8). Рис. 1.8 Уравнение изобары: где α =1/273 град -1 - температурный коэффициент объёмного расширения . График такой зависимости на Vt диаграмме имеет вид, показанный на рисунке 1.9. Рис. 1.9 3. Изотермический процесс. Закон Бойля – Мариотта. T = const. Изотермическим процессом называется процесс, протекающий при постоянной температуре Т. Поведение идеального газа при изотермическом процессе подчиняется закону Бойля – Мариотта: При постоянной температуре и неизменных значениях массы газа и его молярной массы, произведение объёма газа на его давление остаётся постоянным: PV = const. График изотермического процесса на РV -диаграмме называется изотермой . Полезно знать графики изотермического процесса на VT - и РT -диаграммах (рис. 1.10). Рис. 1.10 Уравнение изотермы: (1.4.5) 4. Адиабатический процесс (изоэнтропийный): Адиабатический процесс – термодинамический процесс, происходящий без теплообмена с окружающей средой. 5. Политропический процесс. Процесс, при котором теплоёмкость газа остаётся постоянной. Политропический процесс – общий случай всех перечисленных выше процессов. 6. Закон Авогадро. При одинаковых давлениях и одинаковых температурах, в равных объёмах различных идеальных газов содержится одинаковое число молекул. В одном моле различных веществ содержится N A =6,02·10 23 молекул (число Авогадро). 7. Закон Дальтона. Давление смеси идеальных газов равно сумме парциальных давлений Р, входящих в неё газов: 8. Объединённый газовый закон (Закон Клапейрона). В соответствии с законами Бойля – Мариотта (1.4.5) и Гей-Люссака (1.4.3) можно сделать заключение, что для данной массы газа

газовые сме­си . В качестве примера можно назвать продукты сгорания топлива в двигателях внутреннего сгорания, топках печей и па­ровых котлов, влажный воздух в сушиль­ных установках и т. п.

Основным законом, определяющим поведение газовой смеси, является закон Дальтона: полное давление смеси иде­альных газов равно сумме парциальных давлений всех входящих в нее компо­нентов:

Парциальное давление pi - давление, которое имел бы газ, если бы он один при той же температуре занимал весь объем смеси.

Способы задания смеси. Состав га­зовой смеси может быть задан массовы­ми, объемными или мольными долями.

Массовой долей называется отношение массы отдельного компонента Мi , к массе смеси М:

Очевидно, что и .

Массовые доли часто задаются в процентах. Например, для сухого воздуха ; .

Объемная доля представляет собой отношение приведенного объема газа V, к полному объему смеси V: .

Приведенным называется объем, который занимал бы компонент газа, ес­ли бы его давление и температура равня­лись давлению и температуре смеси.

Для вычисления приведенного объема запишем два уравнения состоя­ния i -го компонента:

Первое уравнение относится к состоянию компонента газа в Смеси, когда он имеет парциальное давление pi и занимает пол­ный объем смеси, а второе уравнение - к приведенному состоянию, когда давле­ние и температура компонента равны, как и для смеси, р и Т. Из уравнений следует, что

Просуммировав соотношение (2.2) для всех компонентов смеси, получим с учетом закона Дальтона ,откуда . Объемные доли также часто задаются в процентах. Для воз­духа , .

Иногда бывает удобнее задать со­став смеси мольными долями. Моль­ной долей называется отношение количества молей Ni рассматриваемого компонента к общему количеству молей смеси N .

Пусть газовая смесь состоит из N1 молей первого компонента, N2 молей вто­рого компонента и т. д. Число молей смеси , а мольная доля компонента будет равна .

В соответствии с законом Авогадро объемы моля любого газа при одинако­вых р и Т, в частности при температуре и давлении смеси, в идеально газовом состоянии одинаковы. Поэтому приве­денный объем любого компонента может быть вычислен как произведение объема моля на число молей этого компо­нента, т. е. а объем смеси - по формуле . Тогда , и, следовательно, задание смесильных газов мольными долями равно заданию ее объемными долями.

Газовая постоянная смеси газов . Просуммировавуравнения (2.1) для всех компонен­тов смеси, получим . Учитывая , можно записать

Полная энергия термодинамической системы представляет собой сумму кинетической энергии движения всех тел, входящих в систему, потенциальной энергии взаимодействия их между собой и с внешними телами и энергии, содержащейся внутри тел системы. Если из полной энергии вычесть кинетическую энергию, характеризующую макроскопическое движение системы как целого, и потенциальную энергию взаимодействия её тел с внешними макроскопическими телами, то оставшаяся часть будет представлять собой внутреннюю энергию термодинамической системы.
Внутренняя энергия термодинамической системы включает в себя энергию микроскопического движения и взаимодействия частиц системы, а так же их внутримолекулярную и внутриядерную энергии.
Полная энергия системы (а, следовательно, и внутренняя энергия) также как потенциальная энергия тела в механике может быть определена с точностью до произвольной константы. Поэтому, если любые макроскопические движения в системе и взаимодействия её с внешними телами отсутствуют, можно принять "макроскопические" составляющие кинетической и потенциальной энергий равными нулю и считать внутреннюю энергию системы равной её полной энергии. Такая ситуация имеет место в случае, когда система находится в состоянии термодинамического равновесия.
Введём характеристику состояния термодинамического равновесия - температуру. Так называется величина, зависящая от параметров состояния, например, от давления и объёма газа, и являющаяся функцией внутренней энергии системы. Эта функция обычно имеет монотонную зависимость от внутренней энергии системы, то есть растёт с ростом внутренней энергии.
Температура термодинамических систем, находящихся в состоянии равновесия, обладает следующими свойствами:
Если две равновесные термодинамические системы, находятся в тепловом контакте и имеют одинаковую температуру, то совокупная термодинамическая система находится в состоянии термодинамического равновесия при той же температуре.
Если какая-либо равновесная термодинамическая система имеет одну и ту же температуру с двумя другими системами, то эти три системы находятся в термодинамическом равновесии при одной и той же температуре.
Таким образом, температура есть мера состояния термодинамического равновесия. Для установления этой меры уместно ввести понятие теплопередачи.
Теплопередачей называется передача энергии от одного тела к другому без переноса вещества и совершения механической работы.
Если между телами, находящимися в тепловом контакте друг с другом, теплопередача отсутствует, то тела имеют одинаковые температуры и находятся в состоянии термодинамического равновесия друг с другом.
Если в изолированной системе, состоящей из двух тел, эти тела находятся при разных температурах, то теплопередача будет осуществляться таким образом, чтобы энергия передавалась от более нагретого тела менее нагретому. Этот процесс будет продолжаться до тех пор, пока температуры тел не сравняются, и изолированная система из двух тел не достигнет состояния термодинамического равновесия.
Для возникновения процесса теплопередачи необходимо создание потоков теплоты, то есть требуется выход из состояния теплового равновесия. Поэтому равновесная термодинамика не описывает процесс теплопередачи, а только его результат - переход в новое равновесное состояние. Описание самого процесса теплопередачи выполнено в шестой главе, посвящённой физической кинетике.
В заключении необходимо отметить, что если одна термодинамическая система обладает более высокой температурой, чем другая, то она не обязательно будет обладать и большей внутренней энергией, несмотря на возрастание внутренней энергии каждой системы с повышением её температуры. Например, больший объём воды может обладать большей внутренней энергией даже при более низкой температуре, чем у меньшего объёма воды. Однако, в этом случае теплопередача (перенос энергии) будет происходить не от тела с большей внутренней энергией к телу с меньшей внутренней энергие

Термодинамической системой называется всякая физическая система, состоящая из большого числа частиц - атомов и молекул, которые совершают бесконечное тепловое движение и, взаимодействуя между собой, обмениваются энергиями. Такими термодинамическими системами, и притом простейшими, являются газы, молекулы которых совершают беспорядочное поступательное и вращательное движения и при столкновениях обмениваются кинетическими энергиями. Термодинамическими системами являются также твердые

и жидкие вещества. Молекулы твердых тел совершают беспорядочные колебания вокруг своих положений равновесия; обмен энергиями между молекулами происходит благодаря их непрерывному взаимодействию, вследствие чего смещение одной молекулы от своего положения равновесия немедленно отражается на расположении и скорости движения средних молекул. Так как средняя энергия теплового движения молекул, согласно формулам (1.7) и (1.8), связана с температурой, то температура является важнейшей физической величиной, характеризующей различные состояния термодинамических систем. Кроме температуры состояния таких систем определяются также и объемом, который они занимают, и внешним давлением или внешними силами, действующими на систему.

Важным свойством термодинамических систем является существование у них равновесиях состояний, в которых они могут пребывать сколь угодно долго. Если на термодинамическую систему, находящуюся в одном из равновесных состояний, оказать некоторое внешнее воздействие и затем прекратить его, то система самопроизвольно переходит в новое равновесное состояние. Однако следует подчеркнуть, что тенденция к переходу в равновесное состояние действует всегда и непрерывно, даже в течение того времени, когда система подвергается внешнему воздействию. Эта тенденция или, точнее, постоянное существование процессов, ведущих к достижению равновесных состояний, является важнейшей особенностью термодинамических систем.

Для газа, заключенного в некотором сосуде, равновесным является состояние, в котором температура, давление и плотность (или число молекул в единице объема) в пределах объема газа везде одинаковы. Если в каком-нибудь месте этого объема вызвать местное нагревание или сжатие, то в системе начнется процесс выравнивания температуры и давления; этот процесс будет происходить и в течение того времени, пока имеется внешнее воздействие, однако только после прекращения этого воздействия процесс выравнивания приведет систему к новому равновесному состоянию.

Состояния изолированных термодинамических систем, которые, несмотря на отсутствие внешних воздействий, не сохраняются в течение конечных промежутков времени, называются неравновесными. Система, первоначально находящаяся в неравновесном состоянии, с течением времени переходит в равновесное состояние. Время перехода из неравновесного состояния в равновесное называется временем релаксации. Обратный переход из равновесного состояния в неравновесное может быть осуществлен при помощивнешних воздействий на систему. Неравновесным является, в частности, состояние системы с различными температурами в различных местах; выравнивание температуры в газах, твердых и жидких телах есть переход этих тел в равновесное состояние с одинаковой температурой в пределах объема тела. Другой пример неравновесного состояния можно привести, рассматривая двухфазные системы, состоящие из жидкости и ее пара. Если над поверхностью жидкости, находящейся в закрытом сосуде, имеется ненасыщенный пар, то состояние системы неравновесное: число молекул вылетающих в единицу времени из жидкости, больше, чем число

молекул возвращающихся за это же время из пара в жидкость. Вследствие этого с течением времени число молекул в парообразном состоянии увеличивается (т. е. увеличивается плотность пара) до тех пор, пока не установится равновесное состояние с

Переход от неравновесного состояния в равновесное в большинстве случаев происходит непрерывно, причем скорость этого перехода можно при помощи соответствующего внешнего воздействия плавно регулировать, сделав процесс релаксации либо очень быстрым, либо очень медленным. Так, например, путем механического перемешивания можно заметно повысить скорость выравнивания температуры в жидкостях или газах; охлаждая жидкость, можно сделать очень медленным процесс диффузии растворенного, в ней вещества, и т. п.

Для некоторых систем существуют такие состояния, называемые метастабильными, в которых эти системы могут находиться относительно долгое время, но как только на систему будет оказано внешнее воздействие определенного характера, происходит самопроизвольный скачкообразный переход к равновесному состоянию. В этих случаях внешнее воздействие лишь открывает возможность к переходу в равновесное состояние. Например, достаточно чистая вода при медленном подводе тепла может быть нагрета до температуры на несколько градусов выше температуры кипения. Это состояние воды является метастабильным; если встряхнуть такую воду (или внести небольшое число пылинок - центров образования пузырьков пара), она со взрывом закипает и ее температура скачком понижается до температуры кипения. Таким образом, метастабильное состояние характеризуется тем, что при выводе из этого состояния система не только не возвращается к ней, но, наоборот, еще более отходит от нее, скачком переходя в существующее для этой системы равновесное состояние.

Основные параметры состояния термодинамических систем

Термодинамической системой называется совокупность различныхтел, способных энергетически взаимодействовать между собой и окру-жающей средой. При этом количество вещества может быть постоянным или переменным, а тела могут находиться в различных агрегатных состоя-ниях (газообразном, жидком или твердом).

Под окружающей средой понимается совокупность всех остальных тел, не вошедших в термодинамическую систему.

Термодинамическая система называется изолированной , если она не взаимодействует с окружающей средой, закрытой - если это взаимодейст-вие происходит только в форме обмена энергией, и открытой - если она обменивается с окружающей средой как энергией, так и веществом. Измене-ние состояния термодинамической системы в результате обмена энергией с окружающей средой называется термодинамическим процессом .

Основными параметрами, которыми характеризуются процессы вза-имного превращения работы и теплоты, являются температура Т , давление р и объем V .

Температура является мерой интенсивности движения молекул ве-щества. Чем больше кинетическая энергия движения молекул, тем выше температура. Температура, соответствующая состоянию полного покоя молекул газа, принята за абсолютный нуль. Эта точка является началом от-

счета температуры по абсолютной шкале Кельвина (обозначение - Т , К). В технике обычно используется стоградусная шкала температур Цельсия (обозначение - t , °С), в которой за 0 °С принята точка плавления льда, а за 100 градусов - постоянная точка кипения воды при нормальном атмо-сферном давлении.

Пересчет температуры из стоградусной шкалы в абсолютную произ-водится по формуле

Т = t +273,15К, (2.2)

при этом по размеру градус Цельсия равен кельвину: 1 °С = 1 К, т. е.

Температура определяет направление перехода теплоты, выступает как мера нагретости тел. Две системы, находящиеся между собой в тепло-вом равновесии, имеют одинаковые температуры.

Давление газа. Согласно кинетической теории,газ,находящийся взакрытом сосуде, оказывает на его стенки давление, которое является ре-зультатом силового воздействия молекул газа, находящихся в беспорядоч-ном движении. Давление определяется как сила, действующая на единицу поверхности, и измеряется в паскалях (Па = Н/м 2).

Сумма барометрического (атмосферного) и избыточного давления, оказываемого газом на стенки сосуда, составляет абсолютное давление:

где V - объем, занимаемый газом, м 3 ; М - масса газа в объеме V , кг. Количество вещества, содержащееся в единице объема, называют

плотностью газа ρ , кг/м 3 . Она является обратной величиной по отношению к удельному объему.

Состояние термодинамической системы, характеризуемое постоян-ным во времени и во всей массе системы значением параметров, называет-ся равновесным . В системе, находящейся в термодинамическом равнове-сии, отсутствует всякий поток тепла и вещества как внутри системы, так и между системой и окружающей средой. Равновесное состояние газа можно выразить уравнением f (р , V , T) = 0.

Идеальным газом называется газ,состоящий из молекул,размерамикоторых можно пренебречь и которые не взаимодействуют между собой (отсутствует потенциальная энергия взаимодействия). Введение понятия идеального газа в термодинамике позволяет получить более простые ана-литические зависимости между параметрами состояния. Опыт показывает, что с известным приближением эти зависимости могут быть применены для изучения свойств реальных газов.